采煤沉陷區(qū)災害綜合治理技術探討

摘 要：采煤沉陷區(qū)中的地質災害和地質環(huán)境災害應當放在災害鏈系統(tǒng)中進行分析和評價，然后融合巖土工程、生態(tài)恢復工程、景觀恢復工程等多個學科對整個采煤沉陷區(qū)進行綜合治理。文章主要針對兩類災害問題發(fā)生的情況進行探討，旨在解決以后采煤沉陷區(qū)災害治理存在的技術問題。

關鍵詞：采煤沉陷區(qū)；災害；治理技術

1 采煤沉陷區(qū)概述

地下可采煤層經(jīng)過井工開采以后，開采區(qū)域周圍巖體的應力進行重新分布以達到新的平衡狀態(tài)，伴隨著應力狀態(tài)的不斷調整，上覆巖層和地表將產(chǎn)生連續(xù)的位移、變形和非連續(xù)的破壞（主要為開裂和冒落等），這種現(xiàn)象被稱為采煤沉陷，采煤沉陷在地表最直觀的表現(xiàn)為塌陷坑和地裂縫。根據(jù)采空沉陷引起的地表變形和破壞的程度，通常將采空沉陷區(qū)域分為三個亞區(qū)：（1）中部區(qū)；（2）危險變形區(qū)；（3）輕微變形區(qū)。

2 研究區(qū)域的地質災害現(xiàn)狀與類型

一般而言，采煤沉陷區(qū)通常存在的災害類型為采空區(qū)塌陷、煤矸石、礦井突水、瓦斯煤塵以及環(huán)境災害等。就研究區(qū)域內的災害類型而言，災害類型主要表現(xiàn)在采空區(qū)災害、煤矸石災害、不穩(wěn)定邊坡的破壞災害以及上述災害所導致的環(huán)境災害。相對應的災害鏈類型為采空區(qū)災害鏈、煤矸石災害鏈。

2.1 采空區(qū)災害鏈

地下采煤活動形成大面積的采空區(qū)，通常將采空區(qū)上方破壞的地層為依次劃分冒落帶、裂隙帶和彎曲帶，最終形成大面積的地面塌陷和大范圍的地裂縫，地面塌陷和地裂縫的形成是采空區(qū)災害鏈的第一環(huán)節(jié)，也是采空塌陷導致的最直接的災害，到此為止，采空區(qū)災害鏈并未結束，而剛剛開始。地面塌陷和地裂縫的形成將導致地貌景觀的直接破壞，地表建構筑物、公路及其他公共設施由于地表的不均勻塌陷和地裂縫的存在而發(fā)生開裂、倒塌等破壞；由于地裂縫的形成，地表土層中的水肥極易沿著地裂縫進入導水裂隙帶，甚至會沿著導水裂隙帶中的裂隙不斷下滲而流失，這樣的結果將導致地表土壤干旱，肥力下降，耕田中的農(nóng)作物大幅減產(chǎn)，植被覆蓋面積大幅縮水，生態(tài)平衡嚴重破壞；地裂縫如果在邊坡地段比較發(fā)育，地表水容易沿著地裂縫直接進入坡體內部，導致坡體巖土體飽水，飽水的巖土層，其重度增加，抗剪強度極具降低，剪切力增大，穩(wěn)定程度減小，極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，而形成滑坡等地質災害。

2.2 煤矸石災害鏈

地下煤炭資源通過井工開采，源源不斷的向地面輸送大量的固體能源的同時，除了形成大面積的采空區(qū)，也向地面輸出大量的固體附屬產(chǎn)品-煤矸石。由于過去煤礦對煤矸石的危害重視不足，管理水平有限，導致大量的煤矸石直接沿礦區(qū)溝谷兩岸堆填，日積月累形成大量的矸石山。在強降雨、地震等誘發(fā)因素影響下，煤矸石易失穩(wěn)引發(fā)滑坡等地質災害，呈松散堆積狀的滑體極易在強降雨作用下形成泥石流等次生地質災害；煤矸石的堆填必然要占用大量的土地資源，造成礦區(qū)耕地面積減少，植被破壞嚴重的后果；煤矸石呈松散狀堆積，內部空隙連通性較好，且直接暴露與空氣中，供氧條件良好，極易發(fā)生不同程度的自燃現(xiàn)象，產(chǎn)生的廢氣對周圍的空氣造成嚴重的污染，釋放出的一氧化碳、二氧化硫、硫化氫、苯化合物等有毒、有害、致癌氣體造成了周圍農(nóng)作物減產(chǎn)、周圍居民的身心健康嚴重損害的嚴重后果。

3 采煤沉陷區(qū)的斷鏈減災模式

針對采煤沉陷區(qū)內災害鏈的發(fā)育特征可知，孕源斷鏈減災的時機已經(jīng)錯過，而災害發(fā)生后的斷鏈不能達到減災的目的，只能采用介于中間的致災環(huán)節(jié)斷鏈。即在采煤沉陷區(qū)災害鏈的致災環(huán)節(jié)中，采用各種措施人為干預切斷災害鏈環(huán)，從而使災害鏈的損害環(huán)節(jié)不能發(fā)生而達到減災的目的。在采空區(qū)災害鏈中，致災環(huán)節(jié)主要為原始地形地貌條件經(jīng)過采煤活動，形成采空區(qū)，隨著地應力的不斷調整，采空區(qū)上部巖層發(fā)生著不同程度的位移和變形，最終在地表以地裂縫和地面塌陷的形式表現(xiàn)出來。該環(huán)節(jié)斷鏈減災模式為對采空區(qū)進行注漿處理，對地表的地裂縫進行封填。通過在致災環(huán)節(jié)采取采空區(qū)注漿和地裂縫封填的方式進行斷鏈減災可以消除采空區(qū)災害鏈中損壞環(huán)節(jié)中的各種災害。在煤矸石災害鏈中，致災環(huán)節(jié)主要為由采煤活動帶來的巨量固體廢棄物-煤矸石沿著溝谷岸坡隨意堆棄，形成煤矸石堆。在該環(huán)節(jié)中，通過工程支擋可以使煤矸石堆處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會發(fā)生滑坡等地質災害；通過坡面防護，對坡面進行生態(tài)綠化，可以隔絕雨水、空氣，避免自燃和淋濾作用，防止污染大氣、地下水，腐蝕土壤，同時坡面綠化能夠增加植被覆蓋面積。綜上所述，煤矸石災害鏈的斷鏈減災方案為工程支擋和坡面防護。在不穩(wěn)定邊坡災害鏈中，致災環(huán)節(jié)主要為原始地形地貌經(jīng)過工程開挖坡腳，形成很多高陡邊坡。在致災環(huán)節(jié)中，根據(jù)邊坡的穩(wěn)定程度，采用工程支擋錨固或者生態(tài)護坡等手段，消除不穩(wěn)定邊坡發(fā)生滑坡崩塌等地質災害的威脅，該手段就是不穩(wěn)定邊坡災害鏈中的斷鏈減災方案。

4 治理方案

在對采煤沉陷區(qū)進行災害現(xiàn)狀分析的基礎上，在上述工程的基礎上，提出針對采煤沉陷區(qū)內采空區(qū)災害、煤矸石災害、不穩(wěn)定邊坡等三類地質災害以及環(huán)境災害的綜合治理方案，使得采煤沉陷區(qū)得到真正的綜合治理。

4.1 采空區(qū)災害的綜合治理方案

采空區(qū)災害首先采用注漿進行工程治理，地表塌陷坑、地裂縫采用封填進行綜合治理。在研究區(qū)域內，采空區(qū)注漿的范圍包括采空區(qū)地表建構筑物附加荷載大的區(qū)域以及蓄水池的區(qū)域，注漿面積約為43030m2，總注漿量為91460m3，注漿材料采用水泥粉煤灰漿，水固比1：1.2～1：1.5，水泥含量占固相的20%，注漿的帷幕孔間距為20m，注漿孔間距為25m，注漿孔呈梅花型布置；塌陷坑及地裂縫的治理則采用表土剝離，分層回填碾壓的方式回填至設計標高，并在預先準備綠化的區(qū)域回填30cm厚度的種植土，在平整的綠化區(qū)域平鋪草皮進行綠化，而坡面上則采用種植喬木的方式進行綠化。通過上述綜合治理方案的實施，則能從根本上消除地表位移變形，有效控制采空塌陷坑及地裂縫的進一步發(fā)育；而對塌陷坑和地裂縫進行及時的回填，一方面避免地表水肥沿著裂縫流失，能使植被面積逐漸恢復，農(nóng)作物減產(chǎn)問題得到有效緩解；另一方面，對地表裂縫的及時回填能有效避免地表水沿著邊坡地段的裂縫進入坡體而造成的邊坡失穩(wěn)破壞。該綜合治理方案能夠有效消除采空區(qū)災害。

4.2 煤矸石災害的綜合治理方案

研究區(qū)域內存在三處煤矸石堆，堆積體積總共大約33200m3。由于煤矸石堆的成分比較復雜，除煤矸石外，包含建筑垃圾、雜填土，能夠再次利用的可能性降低；同時，由于堆積體積過大，堆積區(qū)域地下非常復雜，對煤矸石堆積體進行清理的成本過大。綜合考慮煤矸石災害鏈的斷鏈減災模式、場地利用狀況、治理費用等因素，確定煤矸石災害的治理方案為固源。對三處煤矸石堆積體依據(jù)地形條件按照1：1.5的坡率分層碾壓夯實，使得煤矸石堆積體不再呈松散狀堆積，穩(wěn)定性得到極大改善；坡面采用漿砌片石拱形骨架進行護坡，拱形骨架寬3m，骨架內填鋪一層厚30cm的種植土，然后鋪設草皮進行生態(tài)綠化。通過上述治理方案，能夠避免煤矸石堆在降雨狀況下發(fā)生滑坡，也從固源方面消除了泥石流發(fā)生的威脅。同時，對坡面進行的生態(tài)綠化防護能夠避免煤矸石接觸空氣，有效降低了煤矸石發(fā)生自燃而污染空氣。

參考文獻

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[2]韓金良，吳樹仁，汪華斌.地質災害鏈[J].地學前緣（中國地質大學（北京）；北京大學），2007，14（6）：11-23.

作者簡介：孔荊陶（1988，8-），男，本科，湖北沙洋，武漢中南冶勘資源環(huán)境工程有限公司，地質工程。